MODULUL 10

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea principalelor materiale pentru construcţia sculelor:

- aşchietoare - pentru deformare plastică la rece - pentru deformare plastică la cald. Sunt prezentate proprietăţile cele mai importante, simbolizarea şi

domeniile de utilizare.

MATERIALE ŞI TRATAMENTE PENTRU SCULE

Alegerea materialelor pentru confecţionarea sculelor este dominată de analiza a

numeroşi factori dintre care cei mai importanţi sunt: - proprietăţile materialului care se prelucrează; - tipul operaţiei executate cu aceste scule şi performanţele maşinii-unelte folosite; - modul de răcire a sculei şi natura fluidului de răcire; - mărimea şi geometria sculei; - prelucrabilitatea şi comportarea la tratamentul termic a materialului sculei; - preţul de achiziţie al materialului pentru sculă, preţul de cost al sculei şi durabilitatea

acesteia. Marea diversitate a condiţiilor în care lucrează sculele atrage după sine o multitudine

de proprietăţi de întrebuinţare şi tehnologice pentru materialele destinate confecţionării lor. Sintetizate, aceste proprietăţi sunt următoarele:

- duritate ridicată la temperatura de lucru; - rezistenţă la uzură; - tenacitate. La aceste trei proprietăţi fundamentale, comune tuturor tipurilor de scule, se pot

adăuga şi altele care pot căpăta o importanţă mai mare sau mai mică, în funcţie de natura sculei:

- rezistenţă la şocuri mecanice; - durabilitate; - termostabilitate; - comportare bună în timpul tratamentelor; - prelucrabilitate prin aşchiere şi deformare; - rezistenţă la coroziune. In funcţie de operaţiile pe care le execută în cadrul procesului tehnologic de producţie,

sculele pot fi clasificate astfel: - scule pentru aşchiere; - scule pentru deformare plastică la rece (ambutisare, extrudare, refulare, întindere

etc.) sau tăiere (ştanţare, perforare, debavurare etc.); - scule pentru deformare plastică la cald (forjare, matriţare, laminare etc.).

A. Scule pentru aşchiere Materialele din care se pot executa sculele aşchietoare sunt: oţeluri carbon de scule,

oţeluri aliate pentru scule, oţeluri rapide, carburi metalice, materiale mineralo-ceramice, materiale superdure.

1. Oţelurile carbon de scule (OSC 7, OSC 8, OSC 8M, OSC9, OSC 10, OSC 11, OSC 12, OSC 13 - STAS 1700-80) au un conţinut de carbon între 0,6…1,4 % şi nu conţin elemente de aliere (de exemplu, simbolul OSC 10 corespunde unui oţel carbon pentru scule având concentraţia masică medie de carbon %Cm = 1,0 %).

Cu aceste scule se poate aşchia cu viteze de circa 20 m/min fără a depăşi temperatura de 200…250 oC.

Utilizări: OSC7 - scule supuse loviturilor şi şocurilor (ciocane de forjare la cald, ciocane de lăcătuşerie, baroase, matriţe pentru oţeluri moi sau mase plastice, căpuitoare, dălţi, şurubelniţe, vârfuri de strung, foarfece de mână pentru table, poansoane pentru oţel moale, burghie pentru materiale puţin dure, instrumente chirurgicale neascuţite, scule de tâmplărie); OSC13 - scule care nu sunt supuse la lovire şi care au o duritate deosebită şi muchii de tăiere foarte ascuţite (instrumente chirurgicale, cuţite pentru prelucrarea metalelor, brice, scule de trefilare, burghie, dălţi, scule pentru prelucrarea pietrelor dure, pile, cuţite pentru aşchiere cu viteze mici etc.).

Tratamentele termice care pot fi aplicate sunt: a) înainte de prelucrarea sculelor: recoacere de normalizare, recoacere de înmuiere. b) după prelucrarea sculelor: călire martensitică (eventual călire la temperaturi

scăzute) urmată de o revenire joasă (la t = 150...200 0C). Pentru a evita fisurarea în cazul sculelor cu forme complicate se recomandă călirea în

trepte, respectiv călirea în apă şi apoi în ulei, iar după revenire, răcirea în aer. Tratamentele de mai sus se aplică sculelor care au aceleaşi caracteristici pe toată

lungimea lor. In cazul sculelor cu coadă, executată dintr-o singură bucată cu partea activă, se recomandă aplicarea următorului ciclu de tratament:

- călire globală; - revenire numai pentru coadă în baie de săruri, până la duritatea de 30…40 HRC; - călire a părţii active; - revenire globală a sculei la duritatea necesară părţii active. In tabelul 1 se prezintă principalele domenii de utilizare, în funcţie de marca de oţel, a

oţelurilor carbon de scule.

Tabelul 1. Principalele domenii de utilizare a oţelurilor carbon de scule

Marca oţelului

Principalele domenii de utilizare

OSC7 Scule supuse loviturilor şi şocurilor, care necesită o tenacitate mare şi duritate suficientă: ciocane de forjare la cald, ciocane de lăcătuşerie, baroase, matriţe pentru oţeluri moi sau mase plastice, căpuitoare, dălţi, şurubelniţe, vârfuri de strung, foarfece de mână pentru table, poansoane pentru oţel moale, burghie pentru materiale puţin dure, instrumente chirurgicale neascuţite, scule de tâmplărie, scule de modelat, furci pentru maşini agricole, coase, seceri, cleşti patent, burghie etc.

OSC8 Scule care se supun la lovituri şi necesită tenacitate mare şi duritate mijlocie: matriţe pentru forme simple, cuţite şi foarfece pentru metale moi, scule de tâmplărie, scule pneumatice, perforatoare, punctatoare, dornuri de mână, scule pentru fabricarea şuruburilor şi cuielor, burghie pentru materiale cu duritate mijlocie, matriţe cu dimensiuni mici pentru materiale plastice., scule de tăiere şi îndoire la cald, cleşti pentru sârmă, dălţi pentru mânuit şi cioplit piatră etc.

OSC8M

Fierăstraie circulare sau bandă pentru lemn, cuţite de rindea, dălţi pentru cărbune, dălţi pentru cioplirea pietrelor, sârme pentru înaltă rezistenţă, matriţe pentru injectat mase plastice, piese de uzură la maşini agricole.

OSC10 Scule care nu sunt supuse la lovituri puternice şi bruşte, care necesită oarecare tenacitate şi au tăişuri: filiere, burghie pentru roci dure, fălci pentru bacuri, prese,

matriţe pentru monede, scule pentru fabricarea şuruburilor şi acelor, scule pentru extrudare, scule pentru aşchiat metale moi, inele de tras, inele de ambutisare, dornuri etc., cuţite de tăiat cauciuc, calibre de forme simple, fierăstraie mecanice, dălţi pentru ciocane pneumatice etc.

OSC11 Scule supuse la şocuri mici care necesită tăişuri ascuţite: role de roluit materiale metalice, filiere, freze, burghie, calibre, fierăstraie pentru metale, articole de menaj, matriţe pentru ambutisat, scule de aşchiat metale moi.

OSC13 Scule care nu sunt supuse la lovire şi care au o duritate deosebită şi muchii de tăiere foarte ascuţite: instrumente chirurgicale, cuţite pentru prelucrarea metalelor, brice, scule de trefilare, burghie, dălţi, scule pentru prelucrarea pietrelor dure, pile, cuţite pentru aşchiere cu viteze mici etc.

2. Oţelurile aliate pentru scule (200 Cr 120 sau C 120, 97 Mn Cr W1 sau M V W 14,

105 Cr W 20 sau C W 20, 150 V Mo Cr 120 sau V Mo C 120. 55 Mo Cr Ni 15 sau Mo C N 15, 39 V Mo Cr 53 sau Mo V C 50.10 etc. STAS 3611 - 88) sunt oţeluri slab aliate cu un conţinut de carbon de 0,8…1,4 %. Viteza economică de aşchiere cu aceste scule este de 40 m/min, putând fi întrebuinţate până la temperaturi de 350 oC. Toate oţelurile aliate pentru scule sunt caracterizate prin prezenţa cromului, care influenţează pozitiv călibilitatea, rezistenţa la uzare şi stabilitatea dimensională.

Utilizări: 90VMn20 - scule de precizie nedeformabile (filiere, calibre, şabloane, matriţe, ştanţe pentru prelucrări la rece); 57VMoCrNi17 - scule pentru forjare şi presare la cald (matriţe mari care lucrează în condiţii foarte grele).

Tratamentul termic constă, ca şi în cazul oţelurilor carbon de scule, în călire martensitică (se face cu răcire în ulei sau în jet de aer) urmată uneori de călire la temperaturi scăzute), după care se execută o revenire joasă (la t = 150...200 0C).

In tabelul 2 se prezintă principalele domenii de utilizare a oţelurilor aliate pentru scule. Tabelul 2. Principalele utilizări ale mărcilor de oţel aliat de scule.

Marca oţelului Principalele domenii de utilizare 90VMn20 Scule de precizie nedeformabile: filiere, calibre, şabloane, matriţe,

ştanţe pentru prelucrări la rece. 105MnCrW11 Scule pentru prelucrări la rece: tarozi, freze, alezoare, bacuri de filiere,

burghie, broşe, scule de tăiere, plăci de tăiere, cuţite fine profilate, scule pentru prelucrarea lemnului, matriţe mici pentru mase plastice, cuţite pentru tăierea hârtiei, instrumente de măsurat.

117VCr6 Scule pentru prelucrări la rece: tarozi, burghie, alezoare, extractoare, ştemuitoare, scule pneumatice, scule de poansonare şi gravare.

100VMoCr52 Scule foarte rezistente la uzură, pentru deformări plastice la rece. 155MoVCr115

Scule nedeformabile de mare productivitate, cu stabilitate dimensională, foarte rezistente la uzură, cu tenacitate ridicată: ştanţe cu sensibilitate la rupere, ferăstraie pentru metale, ştanţe de îndoit, cuţite de foarfece pentru tăiere la rece, matriţe de debavurat, scule pentru rulat filete, scule puternic solicitate pentru prelucrarea lemnului, scule pentru extruziune.

165VWMoCr115

Scule nedeformabile de mare productivitate, cu stabilitate dimensională, foarte rezistente la uzură şi cu tenacitate ridicată: freze, filiere, tarozi, mandrine, broşe.

205Cr115 Scule nedeformabile cu călibilitate redusă, rezistente la uzură, care nu lucrează la şocuri sau lovituri puternice, cu tenacitate ridicată: matriţe, poansoane, dornuri de tragere, scule de laminare la rece şi forjare la cald, calibre, scule de extrudare.

90VCrMn20 Scule pentru tăiere (cuţite industriale, ştanţe, matriţe, scule pentru poansoane, scule aşchietoare, scule pentru ambutisare adâncă sau poansoane, instrumente de măsurat.

105CrW20 Scule pentru prelucrări la rece: tarozi, bacuri de filiere, burghie, broşe. 45VSiCrW20 Scule rezistente la şoc, buterole, dălţi pneumatice, ştanţe, matriţe pentru

prelucrări la rece. 31VCr5 Scule cu utilizări bine precizate: chei fixe şi scule de mână, freze melc. 31VMoCr29 Scule pentru prelucrări la cald: matriţe şi subansamble de matriţe, scule

pentru fabricarea de şuruburi şi nituri, scule pentru maşini de forjat radial, scule supuse la solicitări mari la extruziune pentru prelucrarea aliajelor de cupru (bucşe, matriţe de presare).

36VSiWMoCr53

Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe pentru extruziunea la cald a neferoaselor.

39VSiMoCr52 Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe şi subansamble de matriţe pentru turnarea sub presiune a metalelor uşoare.

40VSiMoCr52 Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe şi subansamble de matriţe, matriţe pentru turnarea sub presiune a metalelor uşoare, scule de presare prin extruziune (dornuri, mandrine la presele de extruziune).

55MoCrNi16 Scule pentru forjare şi presare la cald: matriţe mari, matriţe pentru injectat mase plastice, nicovale mari, cilindri de laminor.

55VMoCrNi16

Scule pentru forjare şi presare la cald: nicovale, matriţe pentru ciocane medii şi mici.

55VMoCrNi17

Scule pentru forjare şi presare la cald (matriţe de dimensiuni mari care lucrează în condiţii foarte grele, suport matriţe, poansoane pentru extruziune), matriţe pentru injectat mase plastice, nicovale, cilindri de laminor.

57VMoCrNi17

Scule pentru forjare şi presare la cald: matriţe mari care lucrează în condiţii foarte grele.

30VCrW85 Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe şi dornuri pentru lucru la temperaturi de maximum 700 oC, foarfeci şi cuţite pentru tăiat la cald, scule de refulare la cald, elemente de matriţe pentru turnare sub presiune.

3. Oţelurile rapide pentru scule (Rp 1, Rp 2, Rp 3, Rp 4, Rp 5, Rp9, Rp 10, Rp 11

STAS 7382 - 80) sunt oţeluri înalt aliate. Elementele de aliere dau oţelurilor rapide o rezistenţă mare la temperaturi ridicate, astfel încât sculele din aceste oţeluri îşi păstrează duritatea până la temperaturi de 600 oC. Acest lucru permite prelucrarea cu viteze de aşchiere de 2…3 ori mai mari decât în cazul oţelurilor carbon de scule.

Utilizări: Rp 1 - scule pentru aşchiere rapidă, puternic solicitate la uzură şi la temperatură (freze, cuţite de strung etc.); Rp 10 - scule aşchietoare cu regimuri de aşchiere uşoare în materiale cu duritate mică (burghie, scule de filetat, freze).

Tratamentele termice al oţelurilor rapide constau din recoacere, călire (eventual sub 0 oC), revenire şi tratamente termochimice.

Pentru ridicarea performanţelor sculelor cu tăişuri din oţeluri rapide pot fi utilizate diferite tratamente termochimice, cel mai utilizat fiind nitrurarea.

Diagrama tratamentului termic final pentru oţelurile rapide este prezentată în figura 1.

Fig. 1. Diagrama tratamentului termic final pentru oţelurile rapide

In tabelul 3 se prezintă principalele domenii de utilizare a oţelurilor rapide pentru scule.

Tabelul 3. Domeniile de utilizare a oţelurilor rapide pentru scule

Marca oţelului

Principalele domenii de utilizare

Rp 1 Scule pentru aşchiere rapidă, puternic solicitate la uzură şi la temperatură: freze, cuţite etc.

Rp 2 Scule de aşchiere cu viteze foarte mari pentru materiale foarte dure: freze, cuţite etc.

Rp 3 Scule de aşchiere cu viteze mari pentru materiale cu duritate ridicată: burghie, scule de filetat, freze, broşe, cuţite de strung etc.

Rp 5 Scule de aşchiere cu randament satisfăcător pentru materiale cu duritate ridicată: burghie, freze, tarozi, cuţite etc.

Rp 9 Scule aşchietoare supuse la uzură accentuată, în regim termic moderat: burghie, freze (oţel rapid economic).

Rp 10 Scule aşchietoare cu regimuri de aşchiere uşoare în materiale cu duritate mică: burghie, scule de filetat, cuţite, freze (oţel rapid economic).

Rp 11 Scule de aşchiere cu randament ridicat: freze, alezoare puternic solicitate, dornuri, poansoane şi matriţe pentru extrudare la rece.

4. Carburile metalice se pot utiliza la aşchierea materialelor metalice şi nemetalice,

cu viteze mari de aşchiere (cu peste 100 % mai mari decât în cazul sculelor din oţel rapid). Acest lucru se datorează proprietăţilor generale, ca: duritate mare (peste 85 HRA), rezistenţă mare la uzură, o mare stabilitate termică (îşi păstrează duritatea până la temperaturi de peste 900 oC). Pe de altă parte însă carburile metalice prezintă dezavantajul deteriorării rapide în cazul prelucrărilor cu şoc sau cu vibraţii.

Plăcuţele din carburi metalice pentru scule aşchietoare se clasifică în trei grupe principale de utilizare (STAS 6374-80):

- grupa P (marcaj cu culoare albastră) - pentru aşchierea materialelor feroase ce formează aşchii lungi (oţel laminat, oţel turnat, fontă maleabilă);

- grupa M (marcaj cu culoare galbenă) - pentru feroase cu aşchii lungi sau scurte şi neferoase (oţel manganos, oţel austenitic, oţel pentru automate, fontă cenuşie, fontă maleabilă, metale neferoase etc.);

- grupa K (marcaj cu culoare vişinie) - pentru materiale feroase care formează aşchii scurte, materiale neferoase şi materiale nemetalice (fontă cenuşie, maleabilă, oţel aliat, neferoase, materiale plastice, lemn etc.).

5. Materialele mineralo-ceramice sunt compuse din Al2O3 sau din Al2O3 cu amestecuri din carburi sau metale. In funcţie de compoziţie se disting trei tipuri:

a) materiale mineralo-ceramice pure (plăcuţe albe), formate din 99,7 % Al2O3 şi infime adaosuri de alte substanţe menite să favorizeze sinterizarea;

b) materiale metalo-ceramice (cermeţi), formate din amestecuri de Al2O3 şi diverse metale;

c) materiale carbido-ceramice (plăcuţe cenuşii), formate din amestecuri de Al2O3 cu TiC sau WC.

Pentru aşchiere se utilizează tipurile “a” şi “c”. Fixarea plăcuţelor mineralo-ceramice pe suport se poate face prin brazare sau prin fixare mecanică. Suporturile se execută din oţeluri de îmbunătăţire de înaltă rezistenţă. In mod curent se utilizează mărcile 41MoCN11 sau 40C10, tratate termic la σr = 95…110 daN/mm2. Plăcuţele mineralo-ceramice sunt superioare celor din carburi metalice, printr-o rezistenţă mai mare la uzare şi la temperaturi înalte (îşi menţin proprietăţile până la 1200 oC). In schimb, sunt mai fragile decât acestea utilizându-se numai pentru finisare, la prelucrări fără şocuri şi vibraţii. Eficacitatea cea mai mare se obţine la prelucrarea materialelor care posedă o mare capacitate abrazivă şi o mică conductivitate termică, cum sunt fontele dure şi materialele plastice.

6. Materialele superdure au ca element de bază diamantul (elementul cu duritatea cea mai mare cunoscut până în prezent) sau nitrura cubică de bor. Aceste elemente pot fi naturale sau sintetice, iar ca formă pot fi monocristale sau policristale. Folosirea diamantului şi a NCB sub formă de monocristale, datorită dimensiunilor reduse, este limitată; ea este economică doar la confecţionarea sculelor abrazive. Pentru realizarea unor scule aşchietoare cu geometrie bine definită (cuţite) se folosesc policristalele, sub formă de plăcuţă, sinterizate. Plăcuţele din policristale de diamant se utilizează pentru prelucrarea tuturor materialelor neferoase (metale, materiale plastice, lemn, beton, marmoră etc.), iar cele din policristale de NBC pentru aşchierea feroaselor.

Se recomandă la prelucrări de semifinisare şi finisare, cu viteze foarte mari (peste 800 m/min), putându-se utiliza până la temperaturi de 900 oC (cele cu diamant) şi 1100 oC (cele cu NCB).

B. Scule pentru deformare plastică la rece şi tăiere Aceste scule se fabrică din: - oţeluri carbon de scule (OSC 7, OSC 8, OSC 8M, OSC 9, OSC 10, OSC 11, OSC 12,

OSC 13); - oţeluri aliate (cel mai des sunt utilizate oţelurile C 120 şi VMoC 120). In unele construcţii, sculele executate din oţel au părţile active executate din carburi

metalice. Tratamentele termice ale sculelor pentru deformare la rece şi tăiere din oţeluri carbon

sunt: - recoacere de detensionare; - călire cu încălzire în băi de săruri şi răcire în apă sau soluţie de sodă caustică; - revenire joasă. Prin modul de executare a tratamentului (introducere unor anumite părţi în nisip, a

altora în băi de săruri, răciri diferite a diferitelor părţi etc.) se realizează durităţi diferite în

diferite zone ale sculei (de exemplu în cazul unui poanson, duritatea este 40…44 HRC în zona cozii, 48…51 HRC în partea de trecere şi 56…58 HRC la partea frontală).

Tratamentele termice ale oţelurilor aliate pentru scule de deformare la rece şi tăiere sunt următoarele:

- recoacere de detensionare; - tratament termic primar: recoacere de înmuiere, îmbunătăţire (călire + revenire

înaltă); - tratament termic final, cu trei variante: a) călire cu răcire în ulei şi revenire joasă; b) călire cu răcire în ulei şi revenire medie, triplă; c) călire cu răcire în ulei sub zero grade şi revenire. Pentru mărirea rezistenţei la uzură a suprafeţelor active se aplică diferite tratamente

termochimice: nitrurare în gaz sau nitrurare ionică, borurare etc. Cele expuse mai sus sunt valabile pentru părţile active ale sculelor pentru deformare

plastică sau tăiere. Corpurile acestor scule sunt realizate din alte materiale, mai ieftine: fonte cenuşii, oţeluri carbon etc. Acestea se execută prin turnare (fonte, oţeluri) sau sudare (oţeluri).

C. Scule pentru deformare plastică la cald Condiţiile tehnice pe care trebuie să le îndeplinească aceste scule sunt de natură

termică şi mecanică. Matriţele pentru forjare sunt solicitate timp scurt la compresiune, lovituri, şocuri iar matriţele pentru presare, timp mai îndelungat la compresiune. Ca atare, matriţele pentru presare trebuie să fie rezistente la temperatură şi să posede bună conductivitate termică, iar matriţele pentru forjare trebuie să aibă înaltă rezistenţă mecanică, tenacitate şi duritate ridicată la temperatura de lucru.

Pentru construcţia acestor scule se utilizează oţeluri, care se pot împărţi în trei grupe: - grupa I - cuprinde oţelurile carbon (0,5…0,7 % C; OSC 7) şi oţelurile slab aliate

(MoCN15, VMoCn17). Se utilizează la confecţionarea matriţelor cu dimensiuni mari. - grupa II-a - cuprinde oţelurile mediu aliate cu Cr, Mo, V, W şi Si (MoVC 50.10,

MoVC 50.15, MoVC 53). - grupa a III-a - cuprinde oţelurile bogat aliate cu W, Cr şi V (VCW 85). Se utilizează

la matriţe cu dimensiuni mai mici, puternic solicitate. In privinţa tratamentelor termice, pentru oţelurile carbon din grupa I se recomandă o

recoacere de detensionare după prelucrările preliminare, iar apoi o îmbunătăţire (călire + revenire înaltă). La oţelurile aliate se recomandă o recoacere de detensionare după prelucrările preliminare, apoi o călire (preîncălzire în trei trepte, răcire în două medii, ulei-aer), urmată de o revenire dublă, cu răcire în aer.

Trebuie remarcat că aceste oţeluri nu rezistă la fluaj, deci nu se pot folosi ca oţeluri de construcţie în condiţii de temperaturi înalte de durată. Ele sunt supuse numai scurt timp şi numai la suprafaţă la temperaturi ridicate. Temperatura scade mult spre interior, având în vedere şi faptul că matriţele sunt de obicei răcite.